Metal-substituted ZrB2 and HfB2 as low-cost and high-performance bifunctional electrocatalysts for water splitting
Genel su ayrıştırma fonksiyonlu, ucuz ve yüksek performanslı metal katkılanmış ZrB2 ve HfB2 elektrokatalizörler
- Tez No: 687659
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Enerji, Kimya, Science and Technology, Energy, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Artan küresel enerji talebi, azalan fosil yakıt miktarı ve şiddetli iklim değişiklikleri, araştırmacıları temiz, sürdürülebilir ve verimli enerji kaynakları geliştirmeye teşvik etmiştir. Günümüzde hidrojen enerjisi, bilinen herhangi bir yakıtın en yüksek gravimetrik enerji yoğunluğu, sıfır karbon ayak izi ve doğada bulunabilirliği sayesinde ideal enerji taşıyıcısı olarak en umut verici çözümlerden biridir. Yüksek saflıkta hidrojen gazı üretiminde elektrokatalitik su ayrıştırma ön plana çıkmış; bu bağlamda, dikkate değer elektrokatalitik performanslara sahip, toprakta bol, uygun maliyetli, korozyona dayanıklı ve iki işlevli malzemelere ihtiyaç oluşmuştur. Bu tez çalışmasında, geçiş metali katkılanmış ZrB2 ve HfB2 aileleri, karbotermal indirgeme yöntemi ile sentezlenmiş ve hem hidrojen hem de oksijen oluşum reaksiyonları (HER ve OER, sırasıyla) için 1 M KOH alkalin ortamında iki işlevli katalizör olarak kullanılmıştır. ZrB2 bazlı katalizör malzeme seti hazırlanmış ve Zr(1-x)GMxB2 (x = 0.05, 0.1, 0.2 ve 0.3) (GM = Fe, Co ve Ni) genel formülü ile performansları kaşılaştırmalı olarak incelenmiştir. OER performansında, Zr0.8Ni0.2B2 numunesi, 10 mA cm–2 akım yoğunluğunda 1.58 V'luk bir başlangıç potansiyeline sahip olarak ve 350 mV'luk çok düşük bir aşırıpotansiyel ile dikkate değer bir performans göstermiştir. Ayrıca, Zr0.8Ni0.2B2, ticari olarak kullanılan referans RuO2'den (66.2 mV dec–1) daha küçük Tafel eğimi (56.6 mV dec–1) değeri göstermiştir. HER performansında, 420 mV aşırıpotansiyel ve 101.6mV dec–1 ile Zr0.8Co0.2B2 en iyi performansı göstermiştir. Hf(1-x)GMxB2 (x = 0.1, 0.2 ve 0.3) (GM = Co ve Ni) genel formülüne sahip HfB2 bazlı katalizör ailesi de incelenmiştir. ZrB2 çalışması ile paralel olarak, Ni katkılanması OER performansını arttırmıştır ve Hf0.8Ni0.2B2 numunesi, 320 mV'luk bir aşırıpotansiyel ve 39.5 mV dec-1 çok düşük bir Tafel eğimi ile 10 mA cm–2 akım yoğunluğunda 1.55 V'luk bir başlangıç potansiyeline sahip olmuştur. HER için, 430 mV aşırı potansiyel ve 105.4mV dec–1 ile Hf0.8Co0.2B2 en iyi performansı göstermiştir. Her iki katalizör malzemesi de uzun vadeli stabiliteleri açısından incelenmiştir, 12 -20 saat sonra mükemmel dayanıklılık göstermişlerdir. Bu çalışmada incelenen, sentezlenmiş katkısız ve geçiş metali katkılı diborürlerin, yeşil enerji uygulamalarında kullanılmak üzere büyük potansiyele sahip oldukları anlaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Growing global energy demand, descending amount of fossil fuels, and severe climate changes have encouraged researchers to develop clean, sustainable, and efficient energy sources. Currently, hydrogen energy is one of the most promising solutions as the ideal energy carrier by virtue of the highest gravimetric energy density of any known fuel, zero carbon footprint, and earth abundance. In high purity hydrogen gas production, electrocatalytic water splitting has come to the fore; in this regard, earth-abundant, cost-efficient, corrosion-resistant, and bifunctional materials with remarkable electrocatalytic performances are needed. In this thesis, transition metal substituted ZrB2 and HfB2 families were investigated as promising electrocatalysts. They were synthesized by the carbothermal reduction method and employed as bifunctional catalyst in 1 M KOH alkaline medium for both hydrogen and oxygen evolution reactions (HER and OER, respectively). The family of ZrB2-based catalysts was studied with a general formula of Zr(1-x)TMxB2 (x = 0.05, 0.1, 0.2 and 0.3) (TM = Fe, Co, and Ni). In the case of OER, Zr0.8Ni0.2B2 sample led to an onset potential of 1.58 V at 10 mA cm–2 current density, indicating a remarkable performance with a very low overpotential of 350 mV. Besides, Zr0.8Ni0.2B2 displayed a value of 56.6 mV dec–1 regarding the Tafel slope, which was smaller than the commercial RuO2 (66.2 mV dec–1). In the case of HER, Zr0.8Co0.2B2 with 420 mV overpotential and 101.6mV dec–1 showed the best performance. The family of HfB2-based catalysts with a general formula of Hf(1-x)TMxB2 (x = 0.1, 0.2 and 0.3) (TM = Co, and Ni) was also investigated. In parallel with the ZrB2 case, Ni substitution enhanced the OER performance and Hf0.8Ni0.2B2 sample leading to an onset potential of 1.55 V at 10 mA cm–2 current density with a very low overpotential of 320 mV and infinitesimal value of 39.5 mV dec–1 as Tafel slope. For HER, Hf0.8Co0.2B2 with 430 mV overpotential and 105.4mV dec–1 showed the best performance. Both catalysts were examined for their long-term stability, resulting in excellent durability after 12 -20 h. As-prepared transition metal substituted diborides have great potential to be implemented in green energy applications.
Benzer Tezler
- Zirkonyum karbür esaslı seramiklerin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of zirconium carbide based composites prepared by spark plasma sintering
ÖZDEN ORMANCI ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Designing metal-substituted WB2 and MoB2 asefficient bifunctional electrocatalysts for hydrogenand oxygen evolution reactions
Hidrojen ve oksijen oluşum reaksiyonları için verimli ve iki fonksiyonlumetal katkılı WB2 ve MoB2 elektrokatalizörlerin dizaynı
EZGİ HATİPOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
KimyaKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Metal katkılı hidroksiapatit yapay kemik tozlarının gama ışını soğurma parametrelerinin hesaplanması ve elementel analizi
Calculation of gamma ray attenuation parameters and elementel analysis for metal substituted hydroxyapatite artificial bone powders
OĞUZ KAĞAN KÖKSAL
Doktora
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN APAYDIN
- Study of synthesis and optical properties of transition metal substituted LDH nanoparticles
Geçiş metali değişimli LDH nanopartiküllerinin sentezi ve optik özelliklerinin incelenmesi
AKRAM H M ALMUNIRAWI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
KimyaBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE MORKAN
- Bazı metal oksit içerme bileşiklerinin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of some metal oxide insertion compounds
MUSTAFA DEMİRAY